愛因斯坦的宇宙望遠(yuǎn)鏡

邁克爾·萊蒙尼克

為什么一顆恒星看起來在四個(gè)不同的地方、四個(gè)不同的時(shí)間發(fā)生了爆炸？

一組天文學(xué)家在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章稱，他們目睹了一顆遙遠(yuǎn)的恒星在四個(gè)不同地方、不同時(shí)間爆炸成一顆超新星。在量子物理學(xué)的思想實(shí)驗(yàn)中，盒子里的貓可以被認(rèn)定為既是死的又是活的，但這些天文學(xué)家觀測到的并不是宇宙版的“薛定諤的貓”。大約90億年前，有一顆恒星爆發(fā)形成超新星。該恒星爆炸發(fā)出的光在到達(dá)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之前，要經(jīng)過位于望遠(yuǎn)鏡視野近景的一個(gè)星系團(tuán)。當(dāng)然，“近景”是一個(gè)相對(duì)概念，因?yàn)檫@個(gè)星系團(tuán)距地球大約50億光年，而這顆超新星與地球的距離幾乎是這一距離的2倍。星系團(tuán)通過引力透鏡效應(yīng)，扭曲并放大了超新星爆發(fā)的光線，產(chǎn)生了“愛因斯坦十字”，即四個(gè)點(diǎn)圍繞近景星系團(tuán)的明亮中心，形成了一個(gè)特別的超新星分裂影像。

雖然“愛因斯坦十字”是根據(jù)廣義相對(duì)論預(yù)測出來的，愛因斯坦也是第一個(gè)在科學(xué)文獻(xiàn)中闡述該十字的人，但實(shí)際上，這件事跟他的關(guān)系并不大。1936年，愛因斯坦在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為《恒星通過引力場偏折光線的類透鏡行為》的論文。在論文的開篇，他寫道：“前段時(shí)間，R.W.曼德爾來拜訪我，并讓我將一點(diǎn)計(jì)算的結(jié)果發(fā)表出來。這個(gè)所謂的‘一點(diǎn)計(jì)算是在他的請(qǐng)求下做出的，這篇短文滿足了他的愿望。”曼德爾是捷克工程師、業(yè)余科學(xué)家。有一天，他來到普林斯頓高等研究所，請(qǐng)求愛因斯坦寫一篇有關(guān)引力透鏡效應(yīng)概念的文章，而且曼德爾事先已經(jīng)對(duì)此有了一些想法。

根據(jù)科學(xué)史家余爾根·雷恩和蒂爾曼·索爾對(duì)這個(gè)小插曲的記述，曼德爾就是一個(gè)“狂想家”。他認(rèn)為，引力透鏡通過某種方式將宇宙射線聚焦到地球，可能造成地球上的生物大滅絕。那次會(huì)面之后，愛因斯坦寫信給他，說：“你對(duì)這種現(xiàn)象的奇特猜想只會(huì)讓你淪為理性天文學(xué)家的笑料。”然而，最后，愛因斯坦還是心軟了，盡管他對(duì)這個(gè)猜想明顯沒有太大的熱情。在寫給《科學(xué)》 雜志的投稿信中，愛因斯坦把他提交的那篇論文稱為“一篇微不足道的小文章，是曼德爾先生逼著我擠出來的”。他還補(bǔ)充說，這篇論文“沒什么價(jià)值，但會(huì)令那個(gè)可憐的家伙高興”。他還在論文中專門指出，雖然公式證明了引力透鏡理論，但在現(xiàn)實(shí)世界里“沒有機(jī)會(huì)觀察到這一現(xiàn)象”。根據(jù)他的計(jì)算，兩顆恒星精確對(duì)齊的概率還是非常高的。

愛因斯坦最后一部分的說法是正確的，但他并沒有考慮到更大、更亮的天體——超新星、整個(gè)星系或星系團(tuán)——排成一線的概率更高。即使他考慮到了，那個(gè)時(shí)代的望遠(yuǎn)鏡也不可能發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。直到1979年，英國和美國的天文學(xué)家小組發(fā)現(xiàn)了雙類星體，該星體是某個(gè)星系中耀眼的星系核，距離地球約140億光年。其影像被一個(gè)叫作YGKOWG1的星系一分為二。結(jié)果證明，愛因斯坦對(duì)引力透鏡理論價(jià)值的判斷是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，這種效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)雙類星體后的幾十年里，已被證明是天文學(xué)家的有力工具。引力透鏡效應(yīng)就如同一架天然望遠(yuǎn)鏡，將遙遠(yuǎn)的天體放大，使得地球人能觀測到它們。

愛因斯坦十字，或稱愛因斯坦十字架，位于飛馬座內(nèi)（赤經(jīng)：2 2h4 0m3 1s，赤緯：+ 0 3 ° 2 1 ′ 3 0 . 3 ″），是引力透鏡效應(yīng)最著名的例證之一。它包括較遠(yuǎn)處一個(gè)類星體的四重影像，以及較近處一個(gè)前景星系的核心。

引力透鏡效應(yīng)還為探測暗物質(zhì)的分布提供了線索。這些看不見的暗物質(zhì)在附近的星系團(tuán)中形成旋渦，通過觀察背景星系形狀的細(xì)微扭曲，科學(xué)家可以推斷出暗物質(zhì)的位置。最后，引力透鏡可以幫助宇宙學(xué)家確定宇宙的大小及其膨脹速度。新發(fā)現(xiàn)的這顆超新星被命名為雷夫斯達(dá)爾，以紀(jì)念已故挪威天體物理學(xué)家舒爾·雷夫斯達(dá)爾，他研究的正是這些問題。這是一道放大到宇宙規(guī)模的高中幾何題：如果已知愛因斯坦十字四個(gè)點(diǎn)之間的距離，以及四個(gè)點(diǎn)之間構(gòu)成的角度，就可以精確計(jì)算出星系團(tuán)和超新星之間的距離，以及二者與地球之間的距離——用其他方法只能測量大概距離。

引力透鏡現(xiàn)象把這些遙遠(yuǎn)星系弄成了這副怪誕的模樣。這張結(jié)合錢德拉X 射線天文臺(tái)和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡可見光數(shù)據(jù)的影像，周圍環(huán)繞著容易引發(fā)人聯(lián)想的光弧。這些可見光弧是遙遠(yuǎn)背景星系受到星系群包括暗物質(zhì)在內(nèi)的所有質(zhì)量的引力聚焦，而形成的蜃影。實(shí)際上，構(gòu)成“眼睛”的兩個(gè)大型橢圓星系，是合并中的兩個(gè)星系群的最明亮成員。因?yàn)樗鼈兣鲎驳南鄬?duì)速率高達(dá)1 3 5 0 千米/ 秒，所以氣體被加熱到數(shù)百萬攝氏度，輻射出被渲染成紫色的X射線輝光。柴郡貓星系群位于大熊座內(nèi)，距離地球約4 6 億光年。

對(duì)這種現(xiàn)象的應(yīng)用也許還沒結(jié)束。現(xiàn)在，超新星雷夫斯達(dá)爾的四重影像呈現(xiàn)在我們視野中的光線，從不同的路線穿過近景星系團(tuán)，在幾天或幾周的時(shí)間里，它們都分別出現(xiàn)了。或許雷夫斯達(dá)爾發(fā)出的光線還有更多的路徑，只是目前還沒有進(jìn)入我們的視野，愛因斯坦十字上的第五個(gè)和第六個(gè)點(diǎn)也許明天就會(huì)出現(xiàn)。